欧洲激光聚变装置：法国Laser Mégajoule（LMJ）

伴随着美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）先后完成四次成功点火，激光聚变相关研究受到了更多关注。除了NIF，远在大西洋彼岸的欧洲也有一个备受瞩目的激光项目，即法国的激光聚变装置LMJ。

一、装置概览

LMJ，全称是Laser Mégajoule，是法国的一个激光聚变装置，同时也是欧洲在高功率激光技术领域的尖端代表。该装置由法国原子能与替代能源委员会的军事应用局（CEA-DAM）设计，是法国武器贮存管理计划-模拟计划（类似于美国能源部的库存管理计划）的核心部分，旨在实现1.8MJ的设计总输出能量。LMJ从1999年启动建设工作，2014年正式落成，整个建设周期长达15年，耗资达30亿欧元。

CEA即法国原子能和替代能源委员会，是一家由法国政府资助的研究组织，主要从事能源、国防和安全、信息技术和卫生技术等领域的研究开发，具体包括核反应堆的设计，集成电路的制造，放射性同位素治疗疾病的使用，地震学和海啸的传播，计算机系统安全等方面。CEA DAM，即CEA的军事应用局，位于波尔多附近的Cesta中心，负责法国核武器的整体设计研制工作。

 

二、研究领域

LMJ主要服务于核武器方面的研究，民用用途次之，主要面向三大领域：

1. 核武器研究：通过模拟核爆炸的物理过程，验证核武器的设计和性能，确保其安全性和可靠性。
2. 惯性核聚变研究：用激光脉冲引起氢的同位素发生反应，从而释放巨大的能量，这一研究目标旨在为未来的核电站提供清洁能源。
3. 高能密度物理研究：探索极端物理条件下的物质行为，为天体物理和实验室物理提供重要的实验数据。

三、工作原理

美国LLNL的NIF装置

法国CEA DAM的LMJ装置

作为全球范围内两个极具代表性的激光聚变装置，NIF与LMJ在结构设计上存在一个最显著的区别：NIF采用“Ｕ”型总体布局形式，靶室位于激光实验区的单侧；而LMJ采用“in-line”总体布局形式，靶室位于激光实验区的中间。相较于NIF，LMJ具备一定的优势，主要体现在：

1. 1.激光实验区相对于靶室的对称性强于NIF，同时分离的主放大级布局可以实现激光束组的前后交错排布，因此靶场实验区光路排布易于实现等光程光路排布，光程较短。
2. 2.光束编组站的结构简单，尺寸减小，靶场实验区可以避免采用大型钢结构编组站。

LMJ主要包括三大系统，分别是放大器部分、运输与频率转换部分、靶室。

LMJ基本工作原理为：前端及预放大器模块（PAM）产生一束口径为38mm，频率为1ω（λ=1053nm）的激光，在注入以氙灯泵浦的钕玻璃片状放大器经过多程放大后，光束口径扩束至370mm，激光能量更是达到15kJ@1ω@3ns。经过放大的240束高能激光传输至靶室后，通过光束编组以特定的打靶角度被引导进入终端光学组件（Final Optics Assembly, FOA）。FOA则对光束进行频率转换将1ω激光脉冲转换成3ω更短激光波长，同时完成谐波分离、取样诊断、焦斑整形、聚焦以及靶面光强的精确控制，最后通过束靶耦合瞄准定位系统，实现激光与靶进行耦合打靶。

 

四、核心参数

LMJ在设计输出能量、激光初始波长、靶室尺寸等方面与NIF基本一致。

• 激光束数量：不同于NIF的192束激光，LMJ设计240束激光（每8束构成一个激光束组，共计30组），现阶段建设176束激光。
• 设计总输出能量：1.8MJ。
• 激光初始波长：1053nm。
• 激光脉冲持续时间：十亿分之一秒（1ns）。
• 激光介质：Nd钕玻璃。
• 靶室尺寸：半径5米，采用特别设计的观测系统和多角度定位基准，确保高精度的靶定位和束靶耦合。

五、发展里程碑

1995年，CEA决定在Cesta中心启动LMJ。

1996年，法国与美国签署核合作协议，就协作建造LMJ装置达成一致意见。

1999年，LMJ的科学构想和设计完成。

2003年，LMJ原理性装置LIL完成，并在不到9ns持续时间内输出了9.5KJ的紫外光。

2003年，LMJ大楼和靶室的建造正式开始。

2008年，建筑施工阶段结束，首台设备开始组装。

2014年，LMJ顺利建成。

2016年，LMJ完成2个束组的建设，初步物理实验正式开始。

2017年，LMJ-PETAL（皮秒拍瓦激光）装置建成，用于开展高能密度物理研究。

2019年，LMJ的光路建设基本完成，更广泛的物理实验开始。

2019年，LMJ进行了首次核聚变实验。

2020年，靶定位和束靶耦合技术取得重大进展，确保了高精度的实验条件。

六、部分供应商

LMJ的建设主要是基于法国的供应链体系，包括建筑施工以及各个部件的设计、制造、安装等工作，这里主要罗列3个本土供应商。

Thales：中文译名泰雷兹。最早源于1879年的法国汤姆逊（THOMSON）集团，是设计、开发和生产航空、防御及信息技术服务产品的专业电子高科技公司，同时是法国最大的防务类机械电子科技公司。其为LMJ提供了首套等离子体诊断系统，即“X Imager”和“X Spectrometer”，主要功能是获取和存储对冲击产物进行测量的信号，然后将它们传输到控制命令系统，以获得所需的物理量。除此之外，Thales还参与了LMJ场馆的支撑原件开发。

IDIL：成立于1995年，是一家专注于光纤和激光领域的专业化公司。IDIL致力于通过为科学、工业和国防开发广泛创新的系统和解决方案，主要产品包括激光器、放大器、光纤传感器、光电子系统等。自成立以来，IDIL就一直在LMJ项目框架内与CEA进行合作，承担了LMJ前端光源的设计、制造和表征等工作。

CNIM Systèmes Industriels：最早可追溯到1856年成立的La Seyne-sur-Mer，是一家全球知名的工业工程承包商和设备制造商，在核工业领域处于国际领先地位。2003年，获得CEA-DAM授予的测试室设备和集成（ECI）合同，2009年又被委托从事频率转换和激光束聚焦系统（SCF）开发，2012年接受了PETAL了运输等系统合同。

除了在法国本国备受青睐外，LMJ在国际上也吸引了众多科研机构和科学家的关注。例如，CEA与NIF进行数次技术交流和合作，共同推动惯性约束聚变的研究。LMJ装置还与欧洲其他国家的高功率激光装置（如英国的Vulcan和Orion）进行了合作，共同开展高能密度物理研究。

参考链接：

• https://www-lmj.cea.fr/

• https://www-dam.cea.fr/dam/

• https://www-lmj.cea.fr/lmj-description.html

• https://www-lmj.cea.fr/lmj-calendrier.html

• https://www.thalesgroup.com/en/microwave-imaging-sub-systems/magazine/megajoule-laser

• https://www.idil-fibres-optiques.com/fr/technologies-products/lasers-amplificateurs/

• https://cnim-systemes-industriels.com/

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